不飽和土の力学から観た 締固めによって生じる供試...

不飽和土の力学から観た締固めによって生じる供試体内不均一性の把握

Kawai lab

1. 研究背景・目的

2. 室内試験

3. X線CTスキャン

4. 解析

5. 結論および展望

Kawai lab

発表内容

経済的である

修繕が容易である

材料劣化がない

安全性の正確な評価が難しい

・D値・施工含水比

・施工層厚

・水平まきだし

現在の締固め必須基準

D値管理

D値＝盛土の乾燥密度

室内試験による最大乾燥密度D値＝

盛土の乾燥密度

室内試験による最大乾燥密度

盛土構造物の長所 盛土構造物の課題

盛土の性能＝締固め

経験的な規定

1. 研究背景

Kawai lab

締固めのより力学的な評価が必要

締固め＝不飽和土の非排水圧縮変形

・三軸試験機を用いた静的締固め試験(2002流田)

・不飽和地盤の非排水圧縮シミュレーション(2008寺島)

・シミュレーションによる締固め曲線の再現(2009柴田)

締固めに関する研究

締固めとは・・・

1. 研究背景

Kawai lab

間隙水の連続性・空気圧等境界面の影響

含水分布

間隙水圧分布高さによる違い

締固め中土の含水状態に何が起きているのかを力学的に考察する

解析X線CTスキャン

課題点(締固め土の均一性)

1. 研究目的

Kawai lab

実験…

解析…

室内試験

2. 室内試験(三軸試験機を用いた静的締固め試験)

Kawai lab

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.001 0.01 0.1 1

Grain size (mm)

Perc

ent f

iner

by

wei

ght(%

)2. 室内試験(三軸試験機を用いた静的締固め試験)

Kawai lab

土粒子密度(Mg/m3) 最小密度(Mg/m3) 最大密度(Mg/m3)

2.65 1.104 1.496平均粒径(mm) 均等係数 曲率係数

0.06 3.40 1.91

用いた試料の特性(硅砂8号)

・粒径が細かい・粒がそろっている

粒径加積曲線

1.25

1.3

1.35

1.4

1.45

1.5

10 15 20 25 30 35 40

25 compaction a ray(1Ec)50 compaction a ray(2Ec)

15 compaction a ray(0.6Ec)

締固め曲線

※ランマー質量2.5kg，ランマー落下高さ300mm

Water content w(%)

Dry

den

sity

ρ d

(Mg/

m3 )

Kawai lab

用いた試料の特性(硅砂8号)

・一般的な締固め曲線の傾向

・やや締め固まりにくい

→試料の粒径に起因

2. 室内試験(三軸試験機を用いた静的締固め試験)

Kawai lab

0 10 200

20

40

60

80

100

S r(%

)

Suction(kPa)

用いた試料の特性(硅砂8号)

水分特性曲線•脱水時と吸水時でヒステリシスをともなう

サクションsと飽和度Srの関係

•不飽和土特有の現象

( )sBASSSS

erarf

rar

logexp11++

=−−

Sra：s→∞ 時の漸近飽和度 Srf：s=0での飽和度

ロジスティック曲線式(杉井・宇野.1995)

Src=24.0%(残留飽和度)

主脱水曲線(drying)AD=-9.76 BD=4.54

AW=-1.81 BW=1.89

保水性試験(相対密度80%)によりSrc ・A・Bを決定

※Aはサクション(kPa)対する値

主吸水曲線(wetting)

脱水(drying)

吸水(wetting)保水性が低い

A，B：フィッティングパラメータ

2. 室内試験(三軸試験機を用いた静的締固め試験)

Tensiometer

Moisture sensor

Compressor

Dater logger

SpecimenCH1

CH2

CH3

CH4

Kawai lab

・軸変位・荷重・サクション(空気圧-間隙水圧)・高さごとの含水比

を測定する

目標の乾燥密度(1.3Mg/m3)になるように

試料の乾燥重量を算出し、含水比調整をして圧密リング(内径50mm)に詰める

供試体に空気圧を載荷(100kPa)間隙水圧が落ち着くのを確認

加圧板法

締固め開始(変位制御)速度1.0mm/minで

供試体が40mmになるまで載荷→除荷

試料準備

試験概要

Compressor

Data logger

Pore pressure meter

Load sell

Consolidation ring

Specimen

Porous metal

Pressure control device

Polyfron filter

Ceramic disk

Axial displacement

Measurement date

ua

各含水比(w=12%~32%)における

試験の流れ

2. 室内試験(三軸試験機を用いた静的締固め試験)

含水比が高いほどピーク時の鉛直応力が小さい

Kawai lab

2. 室内試験(三軸試験機を用いた静的締固め試験)

試験結果

w=12%

w=32%

0 10 20 30 400

1000

2000

3000

4000

Time(min)

σ v(k

Pa)

0 10 20 30 400

1000

2000

3000

4000

Time(min)

σ v(k

Pa)

鉛直応力変化

1 10 100 10001.0

1.5

2.0

ln (σv+ps) (kPa)

e(-)

w=12%w=16%w=20%w=24%w=26%w=28% w=32%

含水比が高いほど同間隙比における鉛直応力が低い

飽和度が高く剛性が低い

(σv+ps)-間隙比関係

少ない荷重で圧縮

w高

w低

Kawai lab

0 10 20 300

20

40

60

80

100

Suction(kPa)

S r(%

)

w=12% w=16% w=20% w=24% w=26% w=28% w=32%

0 10 20 30 40

-100

0

100

200 12%16%20%24% 26%28%32%

Time(min)

Suct

ion(

kPa)

外力の影響により供試体底部に

局所的な間隙水圧が発生

載荷時サクションが負の値に

2. 室内試験(三軸試験機を用いた静的締固め試験)

サクション-飽和度関係

(初期状態・載荷終了直後・除荷後)

局所的な間隙水圧の影響を取り除けば水分特性の傾向が

定性的に読み取れる

供試体全体に分配

試験結果

載荷

除荷w=12%

w=32%

0 10 20 30 40

-100

0

100

200

Time(min)

Suct

ion(

kPa)

載荷 除荷

0 10 20 30 40

-100

0

100

200

Time(min)

Suct

ion(

kPa)

載荷 除荷

サクション変化

10 20 30Water content w(%)

w=12% w=16% w=20% w=24% w=26% w=28% w=32%0~5mm

5~10mm10~15mm

15~20mm

20~25mm

25~30mm

30~35mm

35~40mm

・供試体上部ほど含水比が小さい

・含水比が高い方が含水分布の幅が広い

Kawai lab

2. 室内試験(三軸試験機を用いた静的締固め試験)

試験結果試験後供試体高さごとの含水比の測定

3. X線CTスキャン(静的締固め試験の可視化)

@熊本大学

Kawai lab

X線CTスキャンのイメージ

3. X線CTスキャン(静的締固め試験の可視化)

Ｘ線ＣＴスキャンとは・・・

Kawai lab

X線

供試体

X-ray so u rce

X線を供試体に水平に照射しその断面画像を得る

密度が高いと白色

密度が低いと黒色

・供試体の内部を非破壊で可視化することが可能

・密度分布を定量的に計測可能

X線CTスキャンを用いるメリット

被検体にX線を照射しそのX線吸収率から密度分布を数値的に求め画像化する技術

Kawai lab

・軸変位・荷重・サクション(空気圧-間隙水圧)

を測定する

目標の乾燥密度(1.35Mg/m3)になるよ

うに試料の乾燥重量を算出し、含水比調整をして圧密リング(内径50mm)に詰める

供試体に空気圧を載荷(100kPa)間隙水圧が落ち着くのを確認

加圧板法

締固め開始(変位制御)速度1.0mm/minで

供試体が10mmになるまで載荷→除荷

試料準備

試験概要

各含水比(w=12%,20%,28%)における

試験の流れ①

②

③④

⑤

⑥

⑦⑧

⑨

⑪⑫⑬

⑭Scan area

① pore pressure connection② motor controller③ loading actuator④ driver⑤ regulator⑥ displacement sensor⑦ frame⑧ load cell⑨ pore pressure connection⑩ ram⑪ porous metal⑫ polyfron filter⑬ specimen⑭ ceramic disk⑮ pressure cell(acryl)⑯ consolidation ring(acryl)⑰ pore water pressure meter

⑩ ⑮

⑯

⑰

3. X線CTスキャン(静的締固め試験の可視化)

載荷終了直後

除荷終了後

載荷前(初期状態)

1ケース撮影時間合計約112.5分

各目標含水比(12%,20%,28%)につき

Kawai lab

撮影のタイミング

X線発生起電圧 ：300kV

スキャンモード ：half scan(2.5min)

X線照射厚 ：0.3mm

照射間隔 ：1.0mm※撮影しない

領域がある

撮影条件

試験概要

3. X線CTスキャン(静的締固め試験の可視化)

0.5 1.0 1.50

10

20

Wet density(Mg/m 3)

Hei

ght(m

m)

初期状態載荷終了直後除荷終了後

初期状態(高さ22.2mm)

載荷終了直後 除荷終了後

供試体

mm付近

mm付近

mm付近

mm付近

高さごとの密度分布変化

‐1000<CT Value<1000 協力：熊本大学大谷・椋木研究室 Kawai lab

試験結果

3. X線CTスキャン(静的締固め試験の可視化)

0.5 1.0 1.50

10

20

Wet density(Mg/m 3)

Hei

ght(m

m)

初期状態載荷終了直後除荷終了後

初期状態(高さ22.2mm)

載荷終了直後 除荷終了後

供試体

mm付近

mm付近

mm付近

mm付近

高さごとの密度分布変化

‐1000<CT Value<1000 協力：熊本大学大谷・椋木研究室

試料の団粒化が目立つ

団粒化がある程度解消

ほとんど変化しない

(

膨張していない)

Kawai lab

試験結果

載荷後・除荷後は高さごとに均質

3. X線CTスキャン(静的締固め試験の可視化)

0.5 1.0 1.50

10

20

Wet density(Mg/m 3)

Hei

ght(m

m)

初期状態載荷終了直後除荷終了後

載荷終了直後 除荷終了後

初期状態(高さ19.55mm)

供試体

mm付近

mm付近

mm付近

mm付近

高さごとの密度分布変化

‐1000<CT Value<1000 協力：熊本大学大谷・椋木研究室 Kawai lab

試験結果

3. X線CTスキャン(静的締固め試験の可視化)

0.5 1.0 1.50

10

20

Wet density(Mg/m 3)

Hei

ght(m

m)

初期状態載荷終了直後除荷終了後

載荷終了直後 除荷終了後

初期状態(高さ19.55mm)

供試体

mm付近

mm付近

mm付近

mm付近

高さごとの密度分布変化

‐1000<CT Value<1000 協力：熊本大学大谷・椋木研究室

団粒化がより顕著

密度の差が大きい

Kawai lab

載荷終了直後・除荷後でも供試体上部の湿潤密度

が下部に比べ低い

試験結果

3. X線CTスキャン(静的締固め試験の可視化)

4. 解析(不飽和土/水連成有限要素解析)

Kawai lab

・締固め試験中の含水分布の変化を検討

・室内試験の再現

4. 解析(不飽和土/水連成有限要素解析)

Kawai lab

解析概要

不飽和土/水連成有限要素解析コード(DACSAR-UA)を用いた

・サクション応力が有効応力が寄与

・剛性の増減を表わすパラメータに

有効飽和度Se=(Sr-Src)/(100-Src)を使用

ECモデル(大野ら，2006)

降伏時特異点に到るのを回避するためSe-Hardeningモデルに導入

土のダイレイタンシーによる間隙変化を指数関数で表現するモデル

Se-Hardeningモデル（大野ら,2007）

導入

用いた不飽和構成モデル

Se=1.0

Se=0.0

p'

q

Se

p'sat ap'satp'sat ζp'sat

Kawai lab

・各含水比における飽和度より主吸水曲線上にサクションを決定

・高さによらず一定の圧力水頭を入力し，150min時間をおく

初期全水頭

解析に用いたパラメータ・初期条件

初期含水比：w=22% ~ 44%(2%間隔)

等分布荷重300kPaを載荷(10min)→除荷(10min)

解析条件

4. 解析(不飽和土/水連成有限要素解析)

λ κ M υ k s (m/day) m0.132 0.013 1.3 0.33 1.38 0.47G s p' sat (kPa) e 0 a n n E

2.65 2.0 2.058 10 1.0 1.3

S rc (%) A D BD A W BW

24.0 -9.76 4.54 -1.81 1.89※A ・Bはサクションの単位kPaに対する値

60mm

5mm

非排水境界

0 10 2020

40

60

80

100

S r(%

)

Suction(kPa)

w=22%

w=44%

主脱水曲線(drying)

主吸水曲線(wetting)

Kawai lab

1 5 10 50 100 5001.4

1.6

1.8

2.0

2.2

lnp'(kPa)

e(-)

w=22% w=24%~40% w=44%

含水比が高いほど弾塑性状態に移行するのが早い

解析結果(含水比ごとの比較)

Se=1.0

Se=0.0

p'

q

Se

p'sat ap'satp'sat ζp'sat

平均有効主応力-間隙比関係

含水比が高い→有効飽和度が高い→降伏応力が小さくなる

4. 解析(不飽和土/水連成有限要素解析)

(室内試験と傾向一致)

含水比高

含水比低

Kawai lab

2 4 6 8 10 12

40

60

80

Suction(kPa)

S r(%

)

w=22% w=24%~40% w=44%

低含水比

→サクション変化が

載荷時大きく除荷時小さい

高含水比

→サクション変化が

載荷時小さく除荷時大きい

水分特性の影響0 10 20 300

5

10

Time(min)

Suct

ion(

kPa)

w=22% w=24~40% w=44%

載荷 除荷

0 10 20 3020

40

60

80

100

Time(min)

S r(%

)

w=22% w=24~40% w=44%

載荷 除荷

解析結果(含水比ごとの比較)

サクション変化

飽和度変化

載荷

除荷

4. 解析(不飽和土/水連成有限要素解析)

drying

wetting

Kawai lab

w=22% w=44%サクション

飽和度

解析結果(供試体内高さによる比較)

w=34%

低含水比→不飽和透水係数低い→高さによる違いがほとんどない

高含水比→不飽和透水係数高い→高さによって分布が生じている

4. 解析(不飽和土/水連成有限要素解析)

-100 0 1006

7

8

9

10

11

12

Time(min)

Suct

ion s(

kPa)

締固め前 締固め後

-100 0 1002

3

4

5

6

7

8

Time(min)Su

ctio

n s(

kPa)

-100 0 1001

2

3

4

5

6

7

Time(min)

Suct

ion s(

kPa)

-100 0 10010

20

30

40

Time(min)

S r(%

)

-100 0 10030

40

50

60

Time(min)

S r(%

)

-100 0 100

60

70

80

Time(min)

S r(%

)

5. 結論および展望

Kawai lab

今後X線CTスキャナを活用して密度分布をより詳細に把握することによって，

締固め中の供試体内部状況のより明確な理解が期待できる

・特に含水比が高い場合，供試体内に含水分布が生じる

・含水比の違いによる締固め挙動やサクション変化が

室内試験および解析によって示された

締固め中の供試体内の含水分布には水分特性曲線による

水分移動が大きく影響を及ぼしていることがわかった

・X線CTスキャンを行うことによって供試体に密度分布の差が生じることが確認できた